Kohlefaserdefinition und Zusammensetzung
Der Kohlenstoffgehalt und die grundlegenden Eigenschaften Kohlefaser (CF) sind eine neue Art von Fasermaterial mit hoher Festigkeit und hohen Modulfasern, die mehr als 95% Kohlenstoff enthalten. Es handelt sich um ein mikrokristallines Graphitmaterial, das durch Stapeln organischer Fasern wie Flockengraphitmikrokristalle entlang der axialen Richtung der Fasern, nach Karbonisierung und Graphitisierung erhalten wird. Die Masse von Kohlefasern ist leichter als Metallaluminium, aber die Festigkeit ist höher als Stahl und hat die Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit, des hohen Moduls, einer geringen Dichte, ohne Kriechen, einer guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, Resistenz gegen ultramitierende Temperaturen in Nicht-Temperaturen -Oxidierende Umgebungen und gute Müdigkeitsresistenz.
Der Kohlenstoffgehalt von Kohlefasern ist ein wichtiger Indikator, der ihn von anderen Fasermaterialien unterscheidet. Im Allgemeinen beträgt der Kohlenstoffgehalt von Kohlefasern höher als 90%, was Kohlefaser in physikalischen Eigenschaften mit hoher Festigkeit, hoher Modul, niedriger Dichte und anderen Eigenschaften macht. Die Dichte von Kohlefasern beträgt etwa 1,5 bis 2,0 Gramm pro Kubikzentimeter, was hauptsächlich durch die Temperatur der Kohlenstoffbehandlung bestimmt wird. Nach einer hohen Temperatur von 3000 ℃ Graphitisierungsbehandlung die Dichte von bis zu 2,0 Gramm pro Kubikzentimeter.
Mikrokristalline Struktur und Materialzusammensetzung
Die mikrokristalline Struktur von Kohlefasern ist der Schlüssel zu ihren einzigartigen Eigenschaften. Kohlefaser besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, seine Form hat eine signifikante Anisotropie, weich, kann in eine Vielzahl von Stoffen verarbeitet werden, entlang der Richtung der Faserachse zeigt eine hohe Festigkeit. Die mikrokristalline Struktur von Kohlefaser ähnelt künstlicher Graphit, einer chaotischen Graphitstruktur. Der Abstand zwischen den Schichten von Kohlenstofffasern beträgt ca. 3,39 bis 3,42 Å. Die Anordnung von Kohlenstoffatomen zwischen den parallelen Schichten ist nicht so ordentlich wie die von Graphit, und die Schichten werden durch Van der Waals -Kräfte miteinander verbunden.
Die Struktur von Kohlefasern wird normalerweise auch als aus zweidimensional geordneten Kristallen und Poren bestehend angesehen, bei denen der Gehalt, Größe und Verteilung der Poren einen größeren Einfluss auf die Leistung von Kohlefaser haben. Wenn die Porosität unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, hat die Porosität keinen signifikanten Einfluss auf die interlaminare Scherfestigkeit, die Biegefestigkeit und die Zugfestigkeit von Kohlefaserverbundstoffen. Einige Studien haben darauf hingewiesen, dass die kritische Porosität, die eine Abnahme der mechanischen Eigenschaften des Materials verursacht, 1%-4%beträgt.
In der mikrokristallinen Struktur von Kohlenstofffasern sind Graphit -Mikrokristallgröße und der Abstand zwei wichtige Parameter. Kohlenstofffasern mit hohem Modulus haben eine lokal geordnete dreidimensionale Graphit-Kristallstruktur mit weniger Graphit-Lamellendefekten, einem engeren Stapel und einem höheren Kohlenstoffgehalt. Während der Herstellung von Kohlenstofffasern mit hohem Modul aus hochfesten Kohlenstofffasern ist der Festigkeitsverlust offensichtlich, wenn der Modul von Kohlenstofffasern zunimmt, was eng mit der Entwicklung der mikrokristallinen Struktur zusammenhängt. Die Bildung und Entwicklung der mikrokristallinen und Porenstrukturen von Kohlenstofffasern beeinflussen gemeinsam die Eigenschaften von Kohlenstofffasern.
Kohlefaserklassifizierung
Die Klassifizierung von Kohlefaser nach Rohstoffsystem. Die Carbon-Faser wird hauptsächlich in drei Hauptkategorien gemäß dem Rohstoffsystem eingeteilt: Carbonfaser mit Polyacrylonitril (PAN) eigene einzigartige Quelle für Rohstoffe und Vorbereitung.
Carbonfaser auf Pan-Basis: ist das Mainstream-Produkt auf dem aktuellen Markt und macht mehr als 90% der globalen Produktion von Kohlenstofffasern aus. Fasern aufgrund seines einfachen Produktionsprozesses, niedrigeren Kosten, höherer Carbonisierungsabsorptionsrate, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und anderen Merkmalen. Sein Haupt Rohstoff ist Acrylnitril, und das PAN-Protofilament wird durch Polymerisation und Spinnprozess hergestellt und dann durch den Prozess der Vor-Oxidation, Karbonisierung und Graphitisierung zu Kohlenstofffasern verarbeitet.
Assphaltbasis Kohlefaser: -Asphalt als Rohstoff, nach Modulation, Spinning, Nicht-Meltzehandlung, Karbonisierung oder Graphitisierungsbehandlung und anderen Schritten zu machen. Carbonfaser auf Asphaltbasis hat eine hohe Kohlenstoffausbeute, aber die Rohstoffmodulation ist komplex, die Produktleistung ist gering und die aktuelle Skala ist gering. Pitch-basierte Kohlenstofffasern haben Vorteile in Bezug auf Modul, Reibung und thermische Leitfähigkeit und daher Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.
Viskose-basierte Kohlefaser: Hergestellt aus Rayon als Rohstoff, durch den Prozess der Ertrag mit geringer Karbonisierung, technischer Schwierigkeit, komplexer Geräte und hohen Kosten. Viskose-basierte Kohlefaser werden hauptsächlich für ablationsresistente Materialien und Wärme-insistierende Materialien verwendet. Da sein Rohstoff ein natürliches Produkt ist und keine Metallionen enthält, hat es unersetzliche Vorteile in bestimmten Feldern wie hitzebeständigen Materialien für strategische Waffen, antistatische und antielektromagnetische Wellenschutzschutzmaterialien.
Die Klassifizierung durch Performance Carbonfaser wird durch die Leistung klassifiziert, hauptsächlich basierend auf der Zugfestigkeit und dem Zugmodul, bei denen es sich um zwei mechanische Eigenschaftsindizes handelt und in allgemeine, hochfeste (GQ), hochfestes Mittelmodell (hochfestes Mittelmodell () unterteilt werden kann (mit mittlerer Ebene () (mit mittlerem Umfang) unterteilt werden kann. Qz), hohe Modell (m) und so weiter.
Allgemeine Kohlefaser: verfügt über grundlegende mechanische Eigenschaften und eignet sich für allgemeine industrielle Anwendungen wie Sportgeräte, Automobilteile usw.
Hochfestes Kohlefaser: has höhere Zugfestigkeit als allgemeine Purpose, der in Luft- und Raumfahrt, militärische Geräte usw. weit verbreitet ist, von denen die Modelle T300, T700, T800 usw. häufige hochfeste Kohlenstofffasern sind.
Kohlefaser mit hoher Stärke Medium Modell: Zusätzlich zur hohen Festigkeit hat es auch bestimmte Merkmale mit hohem Modul, die für Anwendungen geeignet sind, die hohe Festigkeit und Steifheit erfordern.
Kohlefaser mit hoher Model: gekennzeichnet durch hohen Modul wie M40, M60 und andere Modelle. Es wird hauptsächlich für Anwendungen verwendet, die eine hohe Steifheit erfordern, wie z.
Kohlenstofffasern mit unterschiedlichen Eigenschaften werden durch verschiedene Vorbereitungsprozesse und Wärmebehandlungsbedingungen realisiert, um die spezifischen Anforderungen an Eigenschaften in verschiedenen Anwendungen zu erfüllen. Mit dem Fortschritt der Technologie und der Ausweitung der Anwendungsbereiche wird auch die Leistungsklassifizierung von Kohlefasern verfeinert und verbessert.
Kohlefaserherstellungsprozess
Spinnprozess
Die Kohlenstofffaserherstellung beginnt mit dem Spinnprozess, einem Schritt, bei dem Vorläufermaterialien wie organische Polymere wie Polyacrylnitril (PAN) chemisch in Faserform umgewandelt werden.
Der Spinnprozess wird normalerweise als nasses Spinnen, trockenes Spinnen und nass/trockenes Spinning eingestuft.
Nassspinnen: Beim Nassspinnen wird die Polymerlösung durch die Spinnerlöcher in ein Gerinnungsbad extrudiert, wo die Koagulation durch Lösungsmitteldiffusion erreicht wird. Diese Methode hat eine geringe Produktionsgeschwindigkeit und ist ein komplexer Prozess, kann jedoch Fasern mit einer glatten und gleichmäßigen Oberfläche erzeugen. Es wurde untersucht, dass die Oberfläche der Kohlenstofffasern von Nasspunen signifikante Rillen aufweist, was ihre nachfolgenden zusammengesetzten Eigenschaften beeinflussen kann.
Trockenspinnen: Beim Drehen wird die Polymerlösung aus der Spinneret und direkt in den Spinnkanal gedrückt, der heiße Luftstrom im Kanal führt dazu Die ursprüngliche Flüssigkeit verdunstet. Trockenes Spinning kann kontinuierliche Produktion, schnelle Spinngeschwindigkeit, große Leistung, weniger Umweltverschmutzung, bessere Faserqualität und chemische Resistenz und Färbeneigenschaften haben.
Nass und trockenes Spinnen: Die Merkmale trockener und feuchter Methoden kombinieren, wird der Spinnvorrat aus der Spinner ausgepresst und durchläuft dann einen Abschnitt der Luftschicht, bevor er in das Gerinnungsbad eintritt. Dieser Prozess hat eine hohe Produktivität, erzeugt qualitativ hochwertige Kohlenstofffasern und niedrige Produktionskosten. Trockene und nasse Spinnlösung Viskosität bis zu 50 ~ 100 PA - können die Konzentration der Spin -Stammlösung verbessern, die Wiederherstellung von Lösungsmitteln und den Verbrauch der Einheiten verringern.
Stabilisierung
Die Stabilisierungsbehandlung ist ein wichtiger Schritt im Carbonfaserherstellungsprozess. Der Hauptzweck besteht darin, die thermische Stabilität von Vorläuferfasern zur Vorbereitung auf den nachfolgenden Karbonisierungsprozess zu verbessern. In diesem Schritt werden die Vorläuferfasern in Luft auf 200-300 ° C erhitzt, um die Oxidationsreaktionen und die Bildung einer Trapezstruktur zu fördern, wodurch die thermische Stabilität der Fasern verbessert wird.
Oxidative Stabilität: Stabilisierte Fasern weisen eine bessere oxidative Stabilität auf, was ihre Verwendung unter harten Bedingungen erleichtert. Studien haben gezeigt, dass stabilisierte Kohlenstofffasern auf Pan-Basis einen verringerten Cyclisierungsgrad, eine schnellere Rate der thermischen Zersetzung und eine geringere endgültige Kohlenstoffausbeute aufweisen.
Wärmebehandlungseffekt: Die Zeit und Temperatur der Stabilisierungsbehandlung haben einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften von Kohlenstofffasern. Im Allgemeinen wird die Stabilisierungsbehandlungszeit in Stunden gemessen, die Karbonisierungszeit ist jedoch eine Größenordnung kürzer, gemessen in Minuten. Fasern werden einer Stabilisierungsbehandlung unterzogen, die zu einem signifikanten Gewichtsverlust und einer Verringerung des Durchmessers führt.
Carbonisierung und Graphitisierungsbehandlung
Carbonisierungs- und Graphitisierungsbehandlungen sind die endgültigen Wärmebehandlungschritte im Kohlefaserherstellungsprozess und bestimmen zusammen die endgültigen Eigenschaften der Kohlefaser.
Karbonisierung: Während des Carbonisierungsprozesses befindet sich das pan-präoxygenierte Filament in einer inerten Atmosphäre und wird allmählich von 400 ° C bis 1600 ° C erhitzt, wobei die beiden Regionen mit niedriger Temperaturkarbonisierung 400-1000 ° C und Hochtemperaturkarbonisierung durchlaufen werden 1000-1600 ° C. Das pan -präoxygenierte Filament wird allmählich von 400 ° C auf 1600 ° C erhitzt. Bei dieser Temperatur werden die nicht kohlenstoffarmen Elemente wie N, H und O im voroxygenierten Filament von der Faser freigesetzt, um Kohlenstofffasern mit mehr als 90% Kohlenstoffgehalt zu erzeugen.
Graphitisierung: Die graphitisierungsbehandlung wird normalerweise bei einer hohen Temperatur von 2.500 bis 3.000 ° C durchgeführt, um eine regelmäßige dreidimensionale Graphitkristallstruktur aus einer chaotischen Graphit-Lamellenstruktur innerhalb der Kohlefaser zu bilden. Dieser Prozess kann den Zugmodul von Kohlenstofffasern erheblich erhöhen, sodass graphitisierte Kohlenstofffasern in der Luft- und Raumfahrt und anderen hochmodernen Technologien häufig verwendet werden.
Mikrostrukturentwicklung: Während des Graphitisierungsprozesses erfährt die Mikrostruktur von Kohlenstofffasern signifikante Veränderungen, wobei die Graphit -Mikrokristalle zunehmen und der Schichtabstand abnimmt, wodurch sich der ideale Schichtabstand von Graphitkristallen von 0,335 nm.des und zu signifikanten Verbesserungen in den Verbesserungen der Veränderungen führen Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern.
